核酸采样室携带病毒颗粒物扩散的模拟与通风方案优化

王飞　高文峰　李琼　李晶金　孔刘洋

摘要：  为防止新型冠状病毒在核酸采样室内人员之间发生交叉感染，以普通核酸采样室为研究对象，采用欧拉拉格朗日法计算咽拭子检测过程中携带病毒的颗粒物扩散规律，分别采用加强机械通风和设置局部吸气设备2种方法进行通风方案优化。结果表明：在核酸采样室内进行咽拭子检测的过程中，携带病毒的颗粒物可以在房间内扩散并持续数分钟;加强机械通风可明显提高室内携带病毒颗粒物的置换效率，但也有在空间范围内迅速扩散的问题;设置局部吸气设备可在较短时间内达到迅速减少室内病毒颗粒物的目的。

关键词：  病毒; 采样室; 机械通风; 局部吸气

中图分类号：  TU834;R122文献标志码：  B

Virus-carrying particles diffusion simulation and ventilation

scheme optimization in nucleic acid sampling room

WANG Fei GAO Wenfeng LI Qiong LI Jingjin KONG Liuyang

（School of Energy And Environment Science， Key Laboratory of Rural Energy Engineering of Yunnan， Yunnan Normal

University， Kunming 650500， China）

Abstract： To prevent cross infection of COVID-19 in nucleic acid sampling room， the diffusion law of particles carrying virus in the process of pharyngeal swab detection is calculated by Euler-Lagrange method taking the common nucleic acid sampling room as the research object. The ventilation scheme is optimized with strengthening mechanical ventilation and setting local suction equipment. The results show that the virus-carrying particles can spread in the room for several minutes during pharyngeal swab detection in nucleic acid sampling room. Strengthening mechanical ventilation can significantly improve the replacement efficiency of indoor virus particles， but it also can cause the rapid diffusion in sampling room. Setting local air admission equipment can quickly reduce indoor virus particles in a short time.

Key words： virus; sampling room; mechanical ventilation; local air admission

基金項目：  国家自然科学基金（51866016，51960932）

作者简介： 王飞（1997—），男，山西大同人，硕士研究生，研究方向为被动式太阳房通风与采暖的实验和数值模拟，

（E-mail）1055354679@qq.com

通信作者： 高文峰（1970—），男，云南宣威人，教授，博导，博士，研究方向为太阳能热利用中的流动与传热问题的数值模拟和实验，

（E-mail）413900096@qq.com0引言

目前，新型冠状病毒肺炎（简称“新冠肺炎”）肆虐全球。为应对新型冠状病毒（以下简称“新冠病毒”）的防控需要，我国各地设立核酸采样室，对高、中、低风险人群进行核酸采样检测。

研究表明，新冠病毒以气溶胶形式在一般室内空气环境中可存活3 h，若停留于房间壁面上，更是可以存活2～3 d[1]。在咽拭子核酸采样室内，被采样人员往往需要摘掉口罩，并张嘴做出“啊”的动作，因此有可能释放出夹带病毒的液滴或颗粒。同时，核酸采样室内可能存在短时间内对多个被采样人员连续检测的可能性，若前一个被检测者新冠肺炎核酸检测结果呈阳性，后一个被检测者再进入核酸采样室内是否会有被感染的危险？因此，研究核酸采样室内携带病毒颗粒的扩散规律，减少其在采样室内扩散和长时间停留的可能性，有一定的意义。

公共卫生学家WELLS[2]1934年就提出液滴核理论，即人体内的病毒和微生物可附着于由说话、咳嗽、打喷嚏等行为所释放的液滴上排出体外，这些液滴蒸发后形成液滴核并携带病毒和微生物悬浮于空气中较长时间，进而被其他人吸入后导致人体患病。国外学者对病人呼出的飞沫气溶胶颗粒的传播研究较早，而我国对其传播的研究起步较晚。

清华大学对室内人体飞沫气溶胶颗粒物传播规律开展一系列具有延续性的工作，并采用FLUENT软件通过计算流体力学模拟方法进行研究分析[3-5]。李光熙等[6]以室内非典型肺炎病毒为研究对象，采用CFD软件模拟建立病毒在空气中传播的非稳态模型，分析其凭借飞沫气溶胶在室内传播的特征。刘树森[7]研究认为，环境风速和飞沫喷口气流作用是影响病毒、微生物气溶胶颗粒运动规律的主要原因，其理论计算结果认为粒子气流的跟随性在粒径为1 μm以下时尤为明显，粒子自身重力及惯性作用的影响较小。赵治[8]对人体呼吸、咳嗽以及打喷嚏时产生的飞沫气溶胶颗粒物的运动特性和传播规律开展相关实验，并结合理论分析进行细致的研究。但是，针对核酸采样室内病毒飞沫分布的研究较少。

本文采用FLUENT软件结合可形变部件模型（deformable part model， DPM）对核酸门诊采样室内新冠肺炎核酸检测结果呈阳性人员释放的携病毒气溶胶颗粒的傳播规律进行模拟研究分析，提出加强机械通风和设置局部吸气设备2种防止携病毒气溶胶颗粒物大面积扩散和长时间停留的有效手段，为核酸采样室的设计和采样检测过程提供参考。

1物理模型

1.1模拟模型概述

选用普通的核酸采样室为模拟研究对象，其长、宽、高分别为5、3和3 m，设置低风速机械通风模拟一般采样室的实际工况。房屋顶部设置半径为0.1 m的空调通风口，正面墙壁和右侧墙壁分别设置门和窗作为回风口。采样室物理模型见图1。

图 1核酸采样室物理模型

1.2模型简化及边界条件

飞沫气溶胶粒径较小，众多颗粒组成稀薄的分散相，其体积容积率≤50%[9]，因此可认为气溶胶颗粒属于不连续的离散相。将空气视为连续介质，模型设置为离散相在连续相中运动的多相流模型。空气介质是飞沫气溶胶颗粒的载体，采用欧拉法进行计算。采用拉格朗日法研究飞沫气溶胶颗粒运动时的受力情况，并追踪其运动轨迹。因此，气溶胶颗粒在空气中的传播选用离散相模型及欧拉拉格朗日法进行研究。

采样室内有多种因素影响病毒颗粒在室内流场中的运动，为便于计算，物理模型和边界条件作以下简化：（1）室内空气为不可压缩气体，房间和人体壁面边界为绝热;（2）颗粒与周围环境之间无温差，颗粒与颗粒之间、颗粒与周围环境之间的传热忽略不计;（3）颗粒与环境接触发生的蒸发相变过程转瞬即逝，故忽略不计;（4）只考虑颗粒与颗粒传输过程中的碰撞和粘附，其凝并作用忽略不计;（5）房间各壁面边界设置为“捕捉”，门窗自由出口边界设置为“逃逸”，局部吸气设备壁面和桌面设置反弹系数为0.1;（6）计算采用同时打开kω模型和DPM模型。各工况下边界条件设置见表1。

2数值模型

2.1基本控制方程

室内空气是人体飞沫气溶胶颗粒传播的主要载体。研究室内颗粒物扩散问题，首先要明确颗粒物所处的室内空气的流动情况。房间内的空气流动一般都为湍流，设定核酸采样室内空气流动为稳态湍流，流体流动满足三大控制方程，其通用形式为

式中：ρ为流体密度，kg/m³;为通用应变量;t为时间，s;u为流体速度，m/s;Γ为广义扩散系数;S为广义源项。

2.2飞沫气溶胶颗粒受力

采样室中飞沫气溶胶颗粒受力情况复杂，为便于模型简化，本文只考虑重力、拖曳力和布朗力等主要作用力，数量级关系影响较小的热泳力和浮力忽略不计[10-11]。

2.2.1重力

飞沫气溶胶的密度约为1×10⁶g/m³，远大于空气密度，忽略浮力作用时其重力

式中：ρ为颗粒密度;d为颗粒的当量直径。

2.2.2拖曳力

拖曳力主要表现为削弱颗粒与周围环境空气相对运动趋势。一般情况下，拖曳力的计算公式[12]为

式中：ρ_a为空气密度;u_a和u分别为气流速度和粒子速度;C_d和C_c为分别为拖曳系数和Cammingham滑动修正因数。

2.2.3布朗力

布朗力描述颗粒悬浮于空气环境下的不规则运动，通常用平均自由程和松弛时间描述，计算公式[13]为

式中：ξ为颗粒的涡扩散率;Δt为计算过程中用到的时间步长;T为流体绝对温度;v为气体运动黏性系数;σ为玻尔兹曼常数。

2.3飞沫气溶胶颗粒室内运动特性分析

飞沫产生时存在大液相分散成气相飞沫的雾化现象。新冠肺炎感染者呼吸道产生的飞沫包含新冠病毒，这些包裹病毒的液相往往进入空气环境后被迅速蒸发形成飞沫核[14]。描述蒸发特性的Langmuir公式为

式中：I为液滴每秒蒸发的质量;P₀为液滴表面饱和蒸汽压;P为离开液滴表面后空间局部蒸汽压;M为蒸汽分子的摩尔质量;D为溶剂分子的扩散系数;R为气体常数。

3模拟结果与分析

3.1低风速通风情况下室内飞沫颗粒传播分析

3.1.1室内空气速度

核酸采样室空气流场速度云图见图2。由此可以看出，送风口低速通风只造成房间内送风口下方产生稳态的速度流场，而在房间绝大部分区域未产生明显的速度扩散现象，整个房间的空气流场处于较为平稳的状态。

3.1.2气溶胶颗粒运动轨迹

不同时刻采样室内颗粒物分布轨迹见图3。当t=0～7 s时，颗粒从病人口部逐渐喷出;当t=7～120 s时，颗粒在病人周围扩散，且受室内空气流动作用，较小有沉积现象发生;当t=120～540 s时，颗粒继续在房间扩散，部分颗粒从窗户离开。核酸采样室内颗粒密度随时间的变化见图4。当t=540 s时，房间内颗粒数量仅下降至最大值的69.8%。

通过以上分析可知，普通核酸采样室内存在以下3个问题：（1）咽拭子采样检测过程中释放的夹带病毒的液滴/气溶胶颗粒会部分接触到检测人员，但由于检测人员穿有防护服，危险性不高;（2）液滴/气溶胶颗粒会在房间内停留较长时间，特别是集

中采样检测情况下，气溶胶颗粒足以停留至下一位被检测者进入室内的时刻;（3）液滴/气溶胶颗粒会逐渐扩散至整个房间内部空间，因此核酸采样室内存在一定的危险性。

3.2通风结构优化分析

3.2.1优化方式

针对病毒传播机理和防控的研究，各国相关指南都认为通风系统对减少病毒在空气中的传播有一定的辅助作用[15]。因此，本文提出2种通风结构，以避免被检测者口中释放的气溶胶颗粒在房间内长时间停留，以致完全扩散至整个房间带来危险。第一，加大通风量，使携带病毒的气溶胶颗粒加速离开房间;第二，被检测者口腔部附近设置局部吸气设备，使携带病毒的气溶胶颗粒被释放但还未大面积扩散前就被部分吸收。

3.2.2优化效果对比分析

核酸采样室送风口以2.5 m/s机械通风作为室内飞沫气溶胶颗粒物传播的有效动力源，持续通风条件下核酸采样室颗粒浓度分布见图5（a）和（b）。被檢测者张嘴检测过程中喷射的飞沫气溶胶颗粒被喷出，受空调出风口强烈气流的影响，颗粒团运动方向发生偏移。3 s时，较大的室内气流导致颗粒局部扩散加快;17 s时，颗粒团在房间里完全扩散开，部分颗粒从门窗逸出或者与壁面接触被吸附，颗粒总数迅速下降;25 s时，颗粒迅速下降至总数的50%。

在核酸采样室内被检测者身侧设置局部吸气设备，收集释放于室内的飞沫气溶胶颗粒，该条件下核酸采样室颗粒浓度分布见图5（c）和（d）。被检测者张口检测过程中喷射的飞沫气溶胶颗粒被局部吸气设备吸入，6 s时可明显看到飞沫气溶胶颗粒进入局部吸气设备被收集，10 s时部分逃逸出吸气设备范围的颗粒受房间紊流作用远扬至房间深处，但未造成颗粒多数量、大面积的扩散。2种通风方式下采样室内气溶胶颗粒数量随时间的变化见图6。采用被检测者身侧设置局部吸气设备的通风方式时，25 s时房间内气溶胶颗粒的数量仅为总数的1%以下。

对比以上结果可知，2种改进措施都可以有效增加房间内新风的输送量，加快室外新风置换室内被污染空气的速度，从而起到明显净化室内环境的效果。但是，加大通风量导致房间内速度场较大，反而会使颗粒的空间扩散加强，同时还存在颗粒吸附于房间内壁面的情况，有可能导致颗粒二次扬起的风险。设置局部吸气设备可以改变房间内局部气流方向，使得病人喷出的颗粒向吸气口运动。加入局部吸气设备后，气溶胶颗粒可在短时间内降低至较低水平;局部吸气设备可以避免颗粒在整个房间大面积扩散。

4结束语

在核酸采样室内，若被检测者中存在新冠病毒核酸检测结果呈阳性的人员，咽拭子检测过程会使病人体内的病毒释放至采样房间内，并且可以在房间内扩散并持续数分钟。加强房间内机械通风可以使新冠病毒感染者释放的夹带病毒的颗粒数目快速减小，但存在使颗粒在空间范围内迅速扩散的问题，实际应用时应对气流组织着重考虑。设置局部吸气设备可以使房间内携带病毒气溶胶颗粒的数目在较短时间内快速减小到较低的水平，而且不易引起颗粒在空间范围内扩散，实际应用时应对吸气设备的位置、吸气强度和吸气口形状进行优化设计，以达到最佳吸收效果。参考文献：

[1]VAN DOREMALEN N， BUSHMAKER T， MORRIS D H， et al. Aerosol and surface stability of HCoV-19 （SARS-CoV-2） compared to SARS-CoV-1[J]. New England Journal of Medicine， 2020， 382（16）：1564-1567. DOI： 10.1056/NEJMc2004973.

[2]WELLS W F. On air-borne infection： Study Ⅱ： Droplets and droplet nuclei[J]. American Journal of Epidemiology， 1934， 20（3）： 619-627. DOI： 10.1093/oxfordjournals.aje.a118097.

[3]赵彬， 张昭， 李先庭. 室内不同通风方式下生物颗粒的分布比较[J]. 暖通空调， 2003（3）： 179-182.

[4]赵彬， 张昭， 李先庭. 室内人体飞沫传播的数值研究[J]. 暖通空调， 2003（3）： 176-178.

[5]赵彬， 张昭， 李先庭. 生物颗粒在相邻房间运动的数值研究[J]. 暖通空调， 2003（3）： 173-175.

[6]李光熙， 陶文铨， 孙晓娟. 非典型肺炎病毒在空气中传播过程的初步数值模拟[J]. 西安交通大学学报， 2003， 37（7）： 764-766. DOI： 10.3321/j.issn：0253-987X.2003.07.026.

[7]刘树森. 口腔散发微生物气溶胶颗粒物在室内传播和运动规律的研究[D]. 天津： 天津大学， 2007.

[8]赵治. 室内生物颗粒物运动和传播的试验研究[D]. 天津： 天津大学， 2007.

[9]董建男. 室内污染物颗粒运动模拟与空调系统优化控制研究[D]. 沈阳： 沈阳建筑大学， 2015.

[10]WEI J， LI Y. Enhanced spread of expiratory droplets by turbulence in a cough jet[J]. Building and Environment， 2015， 93： 86-96. DOI： 10.1016/j.buildenv.2015.06.018.

[11]XIE X， LI Y， CHWANG A T， et al. How far droplets can move in indoor environments-revisiting the Wells evaporation-falling curve[J]. Indoor Air， 2007， 17（3）： 211-225. DOI： 10.1111/j.1600-0668.2007.00469.x.

[12]明月. 空调房间人体气溶胶颗粒污染物运动规律研究[D]. 沈阳： 沈阳建筑大学， 2012.

[13]TSEKOV R. Brownian motion of a classical particle in quantum environment[J]. Physics Letters A， 2018， 382（33）： 2230-2232. DOI： 10.1016/j.physleta.2017.06.037.

[14]于玺华. 现代空气微生物学[M]. 北京： 人民军医出版社， 2002： 39-40.

[15]郭明月， 徐鹏， 肖桐， 等. 应对新型冠状病毒国内外暖通相关指南对比[J]. 暖通空调， 2020， 20（11）： 18-25.（编辑武晓英）